(57)【要約】      （修正有）【課題】高い補強効果を発揮するとともに過大な荷重が作用したときに接着部が一度に剥離して致命的な破壊となる可能性を低減できる補強構造物及びそれに供する部材を提供する。【解決手段】帯状部材1と、該帯状部材1が固定されて補強される被補強構造物3とを含む補強構造体であって、帯状部材1および被補強構造物3の少なくとも一方は、他方との接触面が凹凸を有し、かつ、他方の接触面よりも高い硬度を有しているものとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被補強構造物に固定して該被補強構造物を補強する帯状部材であって、被補強構造物との接触面が凹凸を有し、該凹凸を有する接触面の硬度が被補強構造物の接触面よりも高いことを特徴とする帯状部材。
【請求項２】
炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ポリベンゾビスオキサゾール繊維、および超高強力ポリエチレン繊維からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む繊維強化プラスチック板を有している、請求項１に記載の帯状部材。
【請求項３】
被補強構造物との接触面は、モース硬度が７以上、粒径が０．１５〜０．６ｍｍの粒状材料を設けることで凸状に形成されている、請求項１または２に記載の帯状部材。
【請求項４】
帯状部材と、該帯状部材が固定されて補強される被補強構造物とを含む補強構造体であって、帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方は、他方との接触面が凹凸を有し、かつ、他方の接触面よりも高い硬度を有していることを特徴とする補強構造体。
【請求項５】
前記他方の接触面は塑性変形する材料で構成されている、請求項４に記載の補強構造体。
【請求項６】
前記被補強構造物は、帯状部材との接触面のせん断付着強度が帯状部材の引張強度より低いものである、請求項４または５に記載の補強構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げを受ける構造物の補強を図るときに好適な帯状部材および補強構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、曲げを受ける構造物の曲げ耐力の向上、たわみの軽減を目的とする補強方法の一つとして、帯状部材を接着剤を用いて構造物に固定する技術があり、帯状部材としては、例えば炭素繊維を一方向に引き揃え、これに樹脂を含浸硬化させた繊維強化プラスチック帯板が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、この技術では、使用中に設計条件を超えた過大な荷重が作用したときは接着部で一度に剥離が生じ致命的な破壊となる可能性があった。なお、この対策として接着剤に弾性タイプを用いることもあるが、接着部での剛性低下により補強効果が損なわれるものであった。さらに、構造物と帯状部材との接着性を確保するために、帯状部材を接着する構造物の定着面を研削する必要があり、これにより粉塵が発生して周囲に飛散するという問題や、施工現場で接着剤の塗布を行うので接着剤の臭気や化学物質が飛散して周辺環境に悪影響を及ぼす可能性があるという問題もあった。また、接着剤が硬化するまでは予定した補強効果が得られず、硬化を待つために工期が長引くという問題もあった。
【０００４】
一方、接着剤を使わない方法としては、例えば帯状部材に貫通孔を設け、ボルトなどの固定具を用いて固定する方法があるが、固定具の本数が少ないと、通常の使用範囲内で固定部に滑りが発生し、逆に固定具の本数が多いと帯状部材に設ける貫通孔が多くなり、断面欠損の増加により帯状部材の強度が低下するため、いずれにしても必要な補強効果が得られな糸いう問題があった。
【非特許文献１】「トレカラミネート工法技術資料」第１頁、２００５年１０月東レ株式会社発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高い補強効果を発揮するとともに過大な荷重が作用したときに固定部が一度に剥離して致命的な破壊となる可能性を低減できる補強構造体及びそれに供する部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。すなわち、
（１）被補強構造物に固定して該被補強構造物を補強する帯状部材であって、被補強構造物との接触面が凹凸を有し、該凹凸を有する接触面の硬度が被補強構造物の接触面よりも高いことを特徴とする帯状部材。
（２）炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ポリベンゾビスオキサゾール繊維、および超高強力ポリエチレン繊維からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む繊維強化プラスチック板を有している、上記（１）に記載の帯状部材。
（３）被補強構造物との接触面は、モース硬度が７以上、粒径が０．１５〜０．６ｍｍの粒状材料を設けることで凸状に形成されている、上記（１）または（２）に記載の帯状部材。
（４）帯状部材と、該帯状部材が固定されて補強される被補強構造物とを含む補強構造体であって、帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方は、他方との接触面が凹凸を有し、かつ、他方の接触面よりも高い硬度を有していることを特徴とする補強構造体。
（５）前記他方の接触面は塑性変形する材料で構成されている、上記（４）に記載の補強構造体。
（６）前記被補強構造物は、帯状部材との接触面のせん断付着強度が帯状部材の引張強度より低いことを特徴とする、上記（４）または（５）に記載の補強構造体。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方が、他方との接触面に凹凸を有し、かつ、他方の接触面よりも高い硬度を有しているので、高い補強効果が得られるとともに、使用中に設計条件を超えた過大な荷重が作用しても帯状部材や被補強構造物の凹凸を有する接触面上で滑りが発生し、余分な外力を逃がすことができ、致命的な破壊を防止することが出来る。
【０００８】
そして、被補強構造物よりも高い硬度を有している帯状部材に凹凸を設ける場合には、その凹凸を予め帯状部材に設けておくことができるので、実際に帯状部材を被補強構造物に固定する際には、接着剤を用いたり帯状部材や被補強構造物の他方との接触面を研削したりする必要がなく、粉塵の発生や飛散を防止できる。また、接着剤のアミン臭やホルムアルデヒドなどの化学物質の飛散も防止できることから、周辺環境への悪影響を防止できる。さらに、期待する補強効果を得られるまで接着剤の硬化を待つ必要がないので、工期の短縮ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の帯状部材は、曲げを受ける被補強構造物に固定して該被補強構造物を補強する帯状部材であって、被補強構造物との接触面が凹凸を有し、該凹凸を有する接触面の硬度が被補強構造物の接触面よりも高い。また、本発明においては、帯状部材に凹凸を設けなくても、帯状部材が固定される被補強構造物の帯状部材との接触面に凹凸を設け、該凹凸を有する接触面の硬度を、帯状部材の接触面よりも高くしてもよい。このようにすることで、帯状部材および被補強構造物のうち凹凸を有する一方が他方に食い込み、互いに固定される。このとき、凹凸を有する面が対向配置される他方の接触面に塑性変形する材料を配置すると、凸部が効果的に食い込み、定着効果がより良好となるので好ましい。なお、２つの接触面の硬度は相対的に決定され、２つの部材の接触面を人手で擦り合わせて目視による外観観察を行った場合に、相対的に深い傷が付いていると認められる部材を「柔らかい部材」とし、傷が付いていないもしくは相対的に浅い傷がついていると認められる部材を「硬い部材」とする。
【００１０】
帯状部材は、帯鋼板、プラスチック板、木材などでも構わないが、好ましくは強化繊維に、より好ましくは一方向に引き揃えた強化繊維に、樹脂を含浸硬化してなる繊維強化プラスチック板を用いる。強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ポリベンゾビスオキサゾール繊維、超高強力ポリエチレン繊維などを単体および複合して使用することができる。なかでも炭素繊維はヤング係数が高く、被補強構造物の曲げ剛性を効率良く高めることができるので好ましい。強化繊維に含浸させる樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。なお、超高強力ポリエチレン繊維とは、引張強度が２．６ＧＰａ以上のポリエチレン繊維のことであり、例えば東洋紡の「ダイニーマ」などである。
【００１１】
具体的には、例えば図１に示すように帯状部材１に凹凸部２を設け、その帯状部材１を図２に示すように被補強構造物３へ圧接固定する、すなわち、圧力をかけて両者の接触状態を維持する。なお、ここでは凹凸部２は帯状部材１に設けたが、凹凸部２を被補強構造物３に配置し、その被補強構造物３を帯状部材１へ圧接しても良いし、帯状部材１および被補強構造物３の双方に凹凸部を設けても良い。
【００１２】
帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方に設けられる凹凸は、たとえば図３に示すように、粒状物６で形成され、粒状物を、帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方に接着剤７などで接着固定することで凹凸が形成される。
【００１３】
該粒状物は、モース硬度が好ましくは７以上であり、また、粒径範囲はその重量比で８０％以上が０．１５〜０．６ｍｍの範囲内であることが好ましい。これにより、容易に相手の面に食い込ませることができ、定着面に生じるせん断力を負担できる。
【００１４】
このような特性の凹凸部を形成する粒状物は、金属、鉱石、ガラス、磁器などの材質からなるものを採用することができ、好ましくは破砕物を用いることで、鋭利な形状を得ることができる。ここで、該粒状物のモース硬度は試験数ｎ＝５のモース硬度試験における最小値とする。また、該粒状物の粒径の範囲は、ＪＩＳ Ａ １１０２に準拠して粒状物を所定の目開き寸法の２つの篩を通し、重量比を測定することで管理でき、２つの篩の目開き寸法を粒径範囲とする。
【００１５】
また、凹凸部を形成する材料は上記粒状物に限定されず、該粒状物と同様の理由から同様の特性を有し、すなわち、モース硬度が好ましくは７以上であり、形成される凹凸部の高低差が好ましくは０．１５〜０．６ｍｍの範囲内になるような、たとえば板状または棒状のものであってもよい。板状または棒状材料を帯状部材に対して直立させて帯状部材に固着させることで凹凸を得ることができる。具体的には、例えば、メタルプレートコネクターのように金属板に切削あるいは折り曲げ加工で板状あるいは針状の突起物を形成したり、金属板に複数の針状の突起を植え付けて剣山状としたりしたものを、帯状部材および被補強構造物の少なくとも一方に接着するなどして形成することができる。ここで、凹凸部の高低差は、凹凸部を任意の位置で長さ方向に対して直角方向に切断し、この切断面の任意の幅５０ｍｍの範囲における凸部の最大高さと凹部の最小高さを計測して両者の差を求め、この計測をＮ＝５の切断面で行い、差の最小値を凹凸部の高低差とする。
【００１６】
帯状部材および被補強構造物のうち凹凸が設けられていない側には、凸部が食い込みやすいように、塑性変形する材料を配置することが好ましい。このような材料としては鋼材などの金属を用いる事が出来るが、帯状部材に炭素繊維強化プラスチックを用いる場合は、炭素繊維と金属が接触することによる電気腐食の可能性もあるので、間にシート状の絶縁体を介在させたり、凹凸部に絶縁物を使用するなどの対応が必要となる。また、上述した粒状物を設けるための接着剤７などの樹脂をコーティングすることで、凸部が食い込みやすいようにしてもよい。
【００１７】
帯状部材を被補強構造物に圧接固定する方法としては、例えば帯状部材に長手方向に長穴の貫通孔を設け、該貫通孔に貫通させた固定具により該帯状部材を被補強構造物に圧接固定する方法が挙げられる。ここで固定具としては、ネジ、釘、ボルトなどを用いることができる。なお、該貫通孔およびネジ、釘、ボルトなどの固定具については、貫通孔と固定具の軸との間隙が０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲となるように、両者の径を選択することが好ましい。両者の径の差がこの範囲を満足するように設定することで、固定時にも帯状部材と固定具の軸部との間にクリアランスが生じ、固定具の軸から受ける圧力による帯状部材の割裂の発生を遅らせることができる。さらに、帯状部材を被補強構造物に固定した後に貫通孔と固定具との隙間に緩衝材を充填すると、補強工事終了後時間が経過しても前述のクリアランスが確実に確保されるので好ましい。
【００１８】
前記固定具で帯状部材を被補強構造物に固定する際は、たとえば図４、図５に示すように貫通孔を有する添え部材４を、被補強構造物３とで帯状部材１を挟持するように積層配置し、該添え部材４の上から前記固定具５を貫通させて帯状部材１を被補強構造物３に圧接することが好ましい。したがって、添え部材４には、固定具５の軸の直径以上の貫通孔を、帯状部材１に設けられた貫通孔と面方向における位置が一致するように設ける。このように添え部材を用いることで、固定具によって付与される力を面で受けることができ、帯状部材が固定具から局所的に受ける圧力を分散することができ、帯状部材の割裂の発生を遅らせる効果が高くなる。
・  添え部材としては、一般に鋼材のボルト接合に用いられるワッシャや、鋼板、木板、繊維強化プラスチック板などを用いることができる。
【００１９】
また、帯状部材を跨ぐように添え部材を配置し、その両端に固定具を設けて帯状部材を被補強構造物に固定してもよい。このような方法によれば、帯状部材に貫通孔を設ける必要が無く、帯状部材の持つ剛性や強度を有効に利用出来るとともに、帯状部材の割裂の発生を防止する対策にもなる。具体的には、例えば図６に示すように、被補強構造物３の下面に帯状部材１を設ける場合、帯状部材１の下面に帯状部材の幅よりも寸法が大きい添え部材４を配し、帯状部材の左右両側に固定具５が位置するように考慮して添え部材４に貫通孔を設け、固定具５を帯状部材１の下に配した添え部材４の貫通孔を貫通させて締め付ける。ここで、固定具５としては、ボルト、ネジなどを用いる事が出来る。また、従来のシャコ万力や吊クランプなどを用いて面圧力を加えてもよい。
【００２０】
さらに、帯状部材と被補強構造物との接触面の面積が小さい場合は、図７に示すように、２つの被補強構造物で帯状部材１を挟むようにする事により、定着効果をより高めることが出来る。この構造は帯状部材を壁の筋交材として用いた場合の端部定着方法としても用いることが出来る。
【００２１】
被補強構造物に固定させる帯状部材の範囲は、補強目的に応じて該帯状部材の全面であっても部分的であっても問題ないが、部分的な固定の場合は、該帯状部材の全面を補強対象部材に接触させ、通常は該帯状部材の両端部を圧接固定する。圧接固定する長さは固定面に作用する面内せん断力により適宜設定する。なお、非圧接固定部は、該帯状部材と固定部との間に緩衝材を挟み込んでもよく、この場合は衝撃の吸収効果を期待することができる。
【００２２】
さらに、帯状部材を被補強構造物に圧接固定する際には、締め付け力を調整および管理できる固定具を用いることが好ましい。例えば、ボルトおよびナットを用い、ナットの締め付けトルクを調整および管理する事により締め付け力を調整および管理する。接触面積とあわせて、接触面のせん断付着強度が帯板部材の引張強度より低くなるように設定することにより、過大な外力が帯状部材に作用したときに、該帯状部材が破断するまえに、接触面で滑りが発生することにより外力を逃がすことが可能となり、帯状部材の脆性的な破壊を防止する事が出来る。なお、凸部が接する面が塑性材料の場合は、定着面で滑りが発生したときに、塑性変形を伴う事により、エネルギー吸収を期待することが出来る。
【実施例】
【００２３】
＜実施例１＞
土木向けの曲げ補強部材の設計事例を参考に、最大ひずみ量が１０００μｍ、最大引張荷重が１５６００Ｎとなることを想定して、以下の帯状部材を用意した。
すなわち、帯状部材として炭素繊維を一方向に揃えてエポキシ樹脂を含浸させて引き抜き成形した幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの炭素繊維強化プラスチック帯板（東レ（株）製“「トレカ」（登録商標）ラミネートＴＬ５２０”、ヤング係数（ＪＩＳ Ｋ ７０７３に準拠）１５６ＧＰａ）にＭ８のボルトを通すための直径９．５ｍｍの貫通孔を穴の中心の間隔が帯状部材長手方向に４０ｍｍになるように２ヶ所設け、それぞれの貫通孔が帯状部材長手方向に長さ１５ｍｍの長孔になるように、帯板端部に向かって貫通孔を広げた。
【００２４】
その後、帯状部材の片面に凹凸を次のようにして設けた。まず、帯状部材の片面にエポキシ樹脂系の接着剤（日本シーカ（株）製“シーカデュア３０”）を５０ｇ／ｍの割合で平滑に塗布した。この接着剤はＪＩＳ Ｋ ７１１３による引張強度が２０Ｎ／ｍｍ2、かつ、ＪＩＳ Ｋ ６８５０による引張せん断強度が１０Ｎ／ｍｍ2であった。一方、Ｎ＝５のモース硬度試験による最小値が７、ＪＩＳ Ａ ５２０９の曲げ試験に準じたＮ＝５の試験で算出された曲げ強度の最小値が３０Ｎ／ｍｍ2の磁器セラミックスを破砕し、目開き寸法が０．１５ｍｍと０．６ｍｍの篩を通して破砕片の粒径を選別し、調整した。この破砕片を１５ｇ／ｍの割合で帯状部材に塗布した接着剤の表面に均等に散布し、常温で３日間養生して接着剤を硬化させた。
【００２５】
次に、帯状部材によって補強する被補強構造物としては、幅１００ｍｍ、厚さ４．５ｍｍのＳＳ４００の鋼板を用い、Ｍ８のボルトを取り付けるための直径８ｍｍの貫通孔を孔の中心の間隔が補強構造物長手方向に４０ｍｍになるように２ヶ所設けた。また、添え部材には、厚さが２．３ｍｍ、平面寸法が６０ｍｍ×１００ｍｍのＳＳ４００の鋼板を用い、中央部にはＭ８のボルトを取り付けるための直径９ｍｍの貫通孔を穴の中心の間隔が長手方向に４０ｍｍになるように２ヶ所設けた。なお、帯状部材と被補強構造物を圧接固定する長さは長手方向に７０ｍｍとした。
【００２６】
帯状部材の凹凸を有する面と、被補強構造部とを人手で擦り合わせて目視による外観観察を行ったところ、被補強構造物側にのみ傷が認められた。
【００２７】
その後、被補強構造物の上に、帯状部材を、それぞれに設けた２つの貫通孔の位置が重なるように積層配置し、さらにその上に添え部材を貫通孔の位置が重なるように積層配置し、Ｍ８のボルトを貫通孔に通して、スプリングワッシャを取り付け、レンチを用いてナットを締め付けた。なお、帯状部材は、ナットの締め付けにより凸部が被補強構造物に食い込んだ。
【００２８】
このようにして得られた補強構造体について、帯状部材と被補強構造物とを相反する方向に引っ張った結果、引張荷重２１４００Ｎで固定部の滑りが発生し、引張荷重はほぼ一定の状態で滑り量が４２ｍｍに達した段階で帯状部材が割裂して破壊した。
【００２９】
＜比較例１＞
凹凸を設けないこと以外は実施例と同じ帯状部材と被補強構造物を実施例と同じ方法で圧接固定した。得られた補強構造体について、帯状部材と被補強構造物とを相反する方向に引っ張った結果、実施例で想定した通常の使用状態の範囲内である引張荷重５３００Ｎで固定部の滑りが発生し、引張荷重はほぼ一定の状態で滑り量が４３ｍｍに達した段階で帯状部材が割裂して破壊した。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る帯状部材の概略正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る補強構造体の概略正面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る帯状部材の部分拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る補強構造体の、帯状部材長手方向における概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る補強構造体の、帯状部材幅方向における概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る補強構造体の、帯状部材幅方向における概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る補強構造体の、帯状部材長手方向における概略断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：帯状部材
２：凹凸部
３：被補強構造物
４：添え部材
５：固定具
６：粒状材料
７：接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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